Abstract Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

Single-cell transcriptomics has allowed unprecedented resolution of cell types/states in the human lung, but their spatial context is less well defined. To (re)define tissue architecture of lung and airways, we profiled five proximal-to-distal locations of healthy human lungs in depth using multi-omic single cell/nuclei and spatial transcriptomics (queryable at lungcellatlas.org ). Using computational data integration and analysis, we extend beyond the suspension cell paradigm and discover macro and micro-anatomical tissue compartments including previously unannotated cell types in the epithelial, vascular, stromal and nerve bundle micro-environments. We identify and implicate peribronchial fibroblasts in lung disease. Importantly, we discover and validate a survival niche for IgA plasma cells in the airway submucosal glands (SMG). We show that gland epithelial cells recruit B cells and IgA plasma cells, and promote longevity and antibody secretion locally through expression of CCL28, APRIL and IL-6. This new 'gland-associated immune niche' has implications for respiratory health.

The COVID-19 pandemic is an ongoing global health threat, yet our understanding of the dynamics of early cellular responses to this disease remains limited

Abstract Common genetic variants modulate the cellular response to viruses and are implicated in a range of immune pathologies, including infectious and autoimmune diseases. The transcriptional antiviral response is known to vary between infected cells from a single individual, yet how genetic variants across individuals modulate the antiviral response (and its cell-to-cell variability) is not well understood. Here, we triggered the antiviral response in human fibroblasts from 68 healthy donors, and profiled tens of thousands of cells using single-cell RNA-seq. We developed GASPACHO (GAuSsian Processes for Association mapping leveraging Cell HeterOgeneity), the first statistical approach designed to identify dynamic eQTLs across a transcriptional trajectory of cell populations, without aggregating single-cell data into pseudo-bulk. This allows us to uncover the underlying architecture and variability of antiviral response across responding cells, and to identify more than two thousands eQTLs modulating the dynamic changes during this response. Many of these eQTLs colocalise with risk loci identified in GWAS of infectious and autoimmune diseases. As a case study, we focus on a COVID-19 susceptibility locus, colocalised with the antiviral OAS1 splicing QTL. We validated it in blood cells from a patient cohort and in the infected nasal cells of a patient with the risk allele, demonstrating the utility of GASPACHO to fine-map and functionally characterise a genetic locus. In summary, our novel analytical approach provides a new framework for delineation of the genetic variants that shape a wide spectrum of transcriptional responses at single-cell resolution.

Abstract Obesity is common and associated with more severe COVID-19, proposed to be in part related to an adipokine-driven pro-inflammatory state. Here we analysed single cell transcriptomes from bronchiolar lavage in three adult cohorts, comparing obese (Ob, body mass index (BMI) >30m 2 ) and non-obese (N-Ob, BMI <30m 2 ). Surprisingly, we found that Ob subjects had attenuated lung immune/inflammatory responses in SARS-CoV-2 infection, with decreased expression of interferon (IFN)α, IFNγ and tumour necrosis factor (TNF) alpha response gene signatures in almost all lung epithelial and immune cell subsets, and lower expression of IFNG and TNF in specific lung immune cells. Analysis of peripheral blood immune cells in an independent adult cohort showed a similar, but less marked, reduction in type I IFN and IFNγ response genes, as well as decreased serum IFNα, in Ob patients with SARS-CoV-2. Nasal immune cells from Ob children with COVID-19 also showed reduced enrichment of IFNα and IFNγ response genes. Altogether, these findings show blunted tissue immune responses in Ob COVID-19 patients, with clinical implications.

Abstract Childhood-onset asthma is characterized by Type 2-inflammation and airway wall remodeling, but mechanisms of asthma development in the first years of life remain unclear. Here, we investigate transcriptional changes in airway wall biopsies of 22 symptomatic one year old children and relate these to asthma at school age. We demonstrate that pre-asthmatic children (n = 10) overexpressed a gene signature characteristic for an airway epithelial differentiation trajectory via hillock cells towards squamous cells (adjusted p-value 8.06e-16), whilst there was no association with gene signatures of Type 2-inflammation or eosinophil activation. Genes expressed along this trajectory are linked to an altered epithelial barrier function, innate immune activation and extracellular matrix remodeling. Functional GWAS analysis supports a causal link between childhood-onset, but not adult-onset asthma, and the hillock-squamous cell differentiation trajectory. Next, we confirmed the presence of hillock-like cells at the RNA and protein level in pediatric upper and lower airway samples. These findings identify a novel mechanism by which an aberrant airway epithelial differentiation trajectory may contribute to a pre-asthmatic state, highlighting the difference between the early origins of childhood-onset asthma and adult asthma, and point to possible new targets for the early diagnosis and treatment of asthma in the first two years of life. One Sentence Summary RNA sequencing in bronchial biopsies from wheezing infants and children < 2 years shows evidence for an airway epithelial hillock-to-squamous differentiation pathway that marks the development of asthma.

Abstract During human development, lungs develop their roles of gas exchange and barrier function. Recent single cell studies have focused on epithelial and mesenchymal cell types, but much less is known about the developing lung immune cells, although the airways are a major site of mucosal immunity after birth. An open question is whether tissue-resident immune cells play a role in shaping the tissue as it develops in utero . In order to address this, we profiled lung immune cells using scRNAseq, smFISH and immunohistochemistry. At the embryonic stage, we observed an early wave of innate immune cells, including ILCs, NK, myeloid cells and lineage progenitors. By the canalicular stage, we detected naive T lymphocytes high in cytotoxicity genes, and mature B lymphocytes, including B1 cells. Our analysis suggests that fetal lungs provide a niche for full B cell maturation. Given the abundance of immune cells, we investigated their possible effect on epithelial maturation and found that IL-1β drives epithelial progenitor exit from self-renewal and differentiation to basal cells in vitro . In vivo , IL-1β-producing myeloid cells were found adjacent to epithelial tips, suggesting that immune cells may direct the developing lung epithelium.

ABSTRACT Organ- and body-scale cell atlases have the potential to transform our understanding of human biology. To capture the variability present in the population, these atlases must include diverse demographics such as age and ethnicity from both healthy and diseased individuals. The growth in both size and number of single-cell datasets, combined with recent advances in computational techniques, for the first time makes it possible to generate such comprehensive large-scale atlases through integration of multiple datasets. Here, we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA) combining 46 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.2 million cells from 444 individuals across health and disease. The HLCA contains a consensus re-annotation of published and newly generated datasets, resolving under- or misannotation of 59% of cells in the original datasets. The HLCA enables recovery of rare cell types, provides consensus marker genes for each cell type, and uncovers gene modules associated with demographic covariates and anatomical location within the respiratory system. To facilitate the use of the HLCA as a reference for single-cell lung research and allow rapid analysis of new data, we provide an interactive web portal to project datasets onto the HLCA. Finally, we demonstrate the value of the HLCA reference for interpreting disease-associated changes. Thus, the HLCA outlines a roadmap for the development and use of organ-scale cell atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract Children infected with SARS-CoV-2 rarely progress to respiratory failure, but the risk of mortality in infected people over 85 years of age remains high, despite vaccination and improving treatment options. Here, we take a comprehensive, multidisciplinary approach to investigate differences in the cellular landscape and function of paediatric (<11y), adult (30- 50y) and elderly (>70y) nasal epithelial cells experimentally infected with SARS-CoV-2. Our data reveal that nasal epithelial cell subtypes show different tropism to SARS-CoV-2, correlating with age, ACE2 and TMPRSS2 expression. Ciliated cells are a viral replication centre across all age groups, but a distinct goblet inflammatory subtype emerges in infected paediatric cultures, identifiable by high expression of interferon stimulated genes and truncated viral genomes. In contrast, infected elderly cultures show a proportional increase in ITGB6 hi progenitors, which facilitate viral spread and are associated with dysfunctional epithelial repair pathways. Graphical Abstract